同步电机 《电机与拖动基础》 第三版 林瑞光 主编72页PPT

图1-14 直流电动机的气隙磁场分布示意图 (a) 主极磁场 ；(b) 电枢磁场；(c) 气隙磁场
1.4 直流电机的基本公式
直流电机的电枢是实现机电能量转换的核心，一台直流电 机运行时，无论是作为发电机还是作为电动机，电枢绕组中都 要因切割磁感应线而产生感应电动势，同时载流的电枢导体与 气隙磁场相互作用产生电磁转矩。
f=Bxli
(1-2)
图1-2 直流电动机的工作原理图 (a) ab边在N极下、cd边在S极下的电流方向；(b) 转子转过180°后的电流方向
例1.2 电动机拖动的生产设备常常需要作正转和反转的 运动，例如龙门刨床工作台的往复运动、电力机车的前行和倒 退等，那么图1-2所示的直流电动机怎样才能顺时针旋转呢？
3) 额定电流IN 额定电流是指额定电压和额定负载时，允许电机电刷两端 长期输出(发电机)或输入(电动机)的电流，单位为A。 对发电机，有
对电动机，有
PN=UNIN
PN=UNINηN
式中：ηN——额定效率。
4) 额定转速nN 额定转速是指电机在额定运行条件下的旋转速度，单位为 r/min。 此外，铭牌上还标有励磁方式、工作方式、绝缘等级、重 量等参数。还有一些额定值，如额定效率ηN、额定转矩TN、额 定温升τN，一般不标注在铭牌上。
定律告诉我们，在均匀磁场中，当导体切割磁感应线时，导体 中就有感应电动势产生。若磁感应线、导体及其运动方向三者 相互垂直，则导体中产生的感应电动势e的大小为
e=Bxlv
(1-1)
图 1-1 直流发电机的工作原理图 (a) ab边在N极下、cd边在S极下的电动势方向；(b) 转子转过180°后的电动势方向
2. 转子部分 1) 电枢铁芯 电枢铁芯由硅钢片叠成。为了减小涡流损耗，电枢铁芯 通常采用 0.35～0.5 mm厚且两面涂有绝缘漆的硅钢冲片叠压 而成。有时为了加强电机冷却，在电枢铁芯上冲制轴向通风孔， 在较大型电机的电枢铁芯上还设有径向通风道，用通风道将铁 芯沿轴向分成数段。整个铁芯固定在转轴上，与转轴一起旋转。 电枢铁芯及冲片形状如图1-9所示，电枢边缘的槽供安放电枢 绕组用。

式中 GD2－飞轮转矩 N· m2
三、运动方程的物理意义 电动机的工作状态可由运动方程式判断
（1） 当 T=TL ， 0
dn （2） 当 T>TL ， 0 dt
dn （3） 当 T<TL ， 0 dt
dn dt
电力拖动系统稳定运行 电力拖动系统加速运行 电力拖动系统减速运行
一、恒转矩负载特性 特点：负载转矩 TZ 与转速 n 无关。
Hm
O 基本磁化曲线
H
图0.3 铁磁材料的磁滞回线
一、 直流电动机的工作原理
b
电刷
N
+ E –
换向片
1 2
A B
a
Ia
c
d
S
Ia
电枢线圈
直流电源
电刷
换向器
线圈
F
电刷
c
b
F
N
+
E –
换向片
1 2 A B
d
Ia
a Ia
S
注意：换向片和线圈固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。 由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。
f(I 特点： Ia I f a) 1. 转速特性 n f(I a)
当Ia较小时， Φ K fIa
+
Ia U
_
串励
If
M
Rf
Ea
Ra
根据
R U a n I a C Φ C e Φ e
Ra U n C e K fI a C e K f Ra U Ia Ce Ce
2.3 铁磁材料的特性
铁磁材料的磁性能

CeN n Ra Rz
制动瞬间 工作点
B
n n0
制动过程 工作段
电动机电动状 态工作点
A Ra
Ra RZ
电动机拖动反抗性 负载，电机停转。
0
TL
T
C
若电动机 带位能性 负载,稳定
工作点
改变制动电阻R 的Z 大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从 而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。 R越Z小,特性曲线的 斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。
1、电枢串电阻时的人为特性
保持UUN,Φ 不 变Φ ,N 只在电枢回路中串入电阻 的人为R特 性
nCU eΦ NNC Rea C M R Φ 2 NT
n
n0 特点：1）n 0 不变，β 变大；
2） 越β 大，特性越软。
Ra
Ra R
T
2、降低电枢电压时的人为特性
保持RRa,Φ 不变Φ ，N只改变电枢电压时的人为特性：
375 dt
(TTZ) 称为动负载转矩,把
TZ
称为静负载转矩.
二、运动方程式中转矩正、负号的规定
首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方 向，然后规定：
（1）电磁转矩 T与转速 的n正方向相同时为正，相反时为负。
（2）负载转矩
T
与转速
Z
的n正方向相同时为负，相反时为正。
(3)惯性转矩
GD 2 375
n U Ra T
CeΦN CeCMΦ2 N
n
n0
n 01
特点：1)n 随0 U变化, 不β 变; 2) 不U同,曲线是一组平行线。
U1 UN
UN U1
T em
3、减弱励磁磁通时的人为特性

大小:
其中
为电机的转矩常数，有
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电 流成正比
性质: 发电机——制动(与转速方向相反)；
电动机——驱动(与转速方向相同)。
1.4.3 直流电机的电磁转矩
1.5直流电动机
1.5.1 直流电机的可逆原理
以他励电机为例说明可逆原理：把一台他励直流发电机并 联于直流电网上运行保持电源电压不变。
3）电枢电流等于各支路 电流之和。
１.２.３ 单波绕组
单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下 图所示。
两个串联元件放在 同极磁极下，空间位置 相距约两个极距；沿圆 周向一个方向绕一周后 ，其末尾所边的换向片 落在与起始的换向片相 邻的位置。
单波绕组的并联支路图: 单波绕组的特点
1）同极下各元件串联 起来组成一条支路，支 路对数为1，与磁极对 数无关；
。
单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出
来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片 、电刷间的相对位置关系。
单叠绕组的展开图
根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:
单叠绕组的的特点：
1）同一主磁极下的元件 串联成一条支路，主磁极 数与支路数相同。 2）电刷数等于主磁极数 ，电刷位置应使感应电动 势最大，电刷间电动势等 于并联支路电动势。
电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。
换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换 转轴 轴承
当原动机驱动 电机转子逆时针旋 转时同，线圈abcd 将感应电动势。如 右图，导体ab在N极 下，a点高电位，b 点低电位；导体cd 在S极下，c点高电 位，d点低电位；电 刷A极性为正，电刷 B极性为负。

◆结论（对于同步发电机）：
① 交轴电枢反应使气隙磁场发生畸变，F0 始终 超前于 F，即主极磁场超前于气隙合成磁场， 使主磁极始终受到一个制动性质的 Te 的作用， 原动机克服该制动转矩而做功，从而实现了 机械能到电能的转换。
② 直轴电枢反应产生去磁或增磁作用，对同步 电机的运行性能影响很大。
四、三相同步电机的运行状态
Fa = Fad＋Faq I1 Id Iq
Id I1 sin
Iq
I1
cos
2. 基本方程式 电磁关系(不计磁路饱和) ：
Uf If
F0 0 E0
Id Fad ad Ead
E1
U1 I1
Iq Faq aq Eaq
s Es
R1I1
E1 E0 Ead Eaq
因为 Ead ∝ad ∝Fad ∝Id
• 关于相序：
转向及绕组相序已标明；或用相序指示器判断。
• 关于空载端电压： 调节 If → 调节 E0 ；调节瞬时速度→改变相位。
• 关于频率：调节 n →调节 f 。
二、并联运行的方法
1. 准确整步法
方法：把 G 调整到完全符合并网条件时，才投入电网。 缺点：手续繁琐，费时较多。
2. 自整步法
If = f ( I1)
三、效率特性
1
P P2 P
100 %
※ N = 94% ~ 98.5%； 氢冷时，N 增加约 1%。
5.6 同步发电机与电网的并联运行
一、并联运行的条件
1. 发电机的相序与电网相序一致 2. 发电机的频率与电网频率相同 3. 发电机的端电压与电网电压相等
1. 发电机的相序与电网相序一致
5.1 同步电机的基本结构和额定值

单相感应电动机正常工作时，一般只需要单相绕组即可， 但单相绕组通以单相交流电时产生的磁场是脉动磁场，单相运 行的电动机没有起动转矩。
为使电动机能自行起动和改善运行性能，除工作绕组（又 称主绕组）外，在定子上还安装一个辅助的起动绕组（又称副 绕组）。两个绕组在空间相距900或一定的电角度。
继续
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按使用要求来分：用于解算装置的旋转变压器和用于 随动系统的旋转变压器。
7.7.1 旋转变压器的结构与工作原理 一、正余弦旋转变压器的工作原理
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1.正弦绕组
z
N
4 i 1
Nci
2Ncm[co s Z
cos3
Z
cos(2Z 4
1)
Z
]
第44页/共67页
2.正余弦旋转变压器的工作原理 定子上放置两套互差90空间角度的匝数、型式完全相
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7.5 测速发电机 分类：直流测速发电机和交流伺服电动机
7.5 直流测速发电机
分永磁式和电磁式两种。
一、直流测速发电机的输出特性
输出电压与转速之间的关系，称为输出特性，如图所示。
U2
Ea 1 Ra
Cn
RL
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二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法
电枢反应
产生误差的 原因
（1）正余弦旋转变压器的空载运行
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将Фd分解为两个分量： 与正弦绕组轴线方向一致的磁通Фr1和与正弦绕组轴线相垂 直的磁通Фr2。
r1 d sin r2 d cos
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正余弦旋转变压器输出绕组的开路输出电压分别为：
Ur10 Er1 4.44 fNrkwrr1 4.44 fNrkwrd sin Ur20 Er2 4.44 fNrkwrr2 4.44 fNrkwrd cos

制动过程：A—B—C
21
倒拉反转运行
绕线式异步电动机拖动位能 性恒转矩负载时，电机转速 随转子串入电阻的增大而降 低，当电阻足够大时，电机 将反转运行第Ⅳ象限。
第四象限运行状态：当电阻 足够大时，电机将反转运行 于第Ⅳ象限，如上图的B点。
制动过程：A—O--B
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回馈制动运行
对位能性负载，在反接制 动至n=0时不采取停车措施， 则电动机将反向启动，稳定 在反向回馈制动点运行。
第四象限运行状态：在到 达B点前加速运行，到达E点 后稳定运行。
制动过程：如下图中的从 A→B→C→D→E的过程，最后 稳定运行在 E 点。
23
六、例题
高速下放重物（理想空载转速 110%），选择回馈制动运行。低速下方重物（理想空载转速 20%），
选择倒拉反转，能耗制动，反接制动。
例 1: 某起重机吊钩由一台绕线式三相异步电动机拖动，电动机额定数据为：
吴永康一拆卸电机过程图片展示二电机的相关参数三定转子各部分的作用四生活中的应用五电机的制动特性六例题一拆卸电机过程图片展示二电机的相关参数三定转子各部分的作用四生活中的应用五电机的制动特性六例题一拆卸电机过程图片展示拆解完成?拆卸完整图片集所使用的工具二电机的相关参数型号y9054额定功率11kw额定电压380v额定电流27a接法y额定转速1400rmin额定频率50hz绝缘等级b级工作方式s1计算额定转矩75nm判断电机极数4判断同步转速n1400rmin槽数z1线圈节距y极对数p2462计算极距每极每相槽数q槽距角6230定子铁心内径减去转子铁心外径定转子之间的气隙定子铁心长度转子铁心长度8318mm7912mm203mm9008mm9304mm观察并记录电机转子部分
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能耗制动运行 设异步电动机以转速n逆时针电

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6
0.2本教材内容、课程性质和教学目的
0.2.1教材内容
《电机基础》课程是以电力拖 动系统中应用最广泛的电机为重点， 从使用的角度介绍交、直流电机、 变压器等的基本结构、工作原理、 主要工作特性以及运行特性等。
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教材与参考书
教材：
电机原理及拖动.彭鸿才主编.机械工业出 版社，1996年10月 参考书：
由于电机铁芯采用软磁材料制成，其磁
滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化 计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲线 来表示B与H之间的关系，故通常所讲的铁磁 材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。
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0.4.3交流磁路中的铁心损耗
交流磁路中存在铁芯损耗，铁芯损耗又分为磁滞损 耗和涡流损耗。
答疑时间：每周
午00：00-00：00
地点：四教西913，电话：88802861
实验前做好预习报告，实验时注意安全，实验 后完成实验报告。
总评成绩：作业10%，实验20%，考试70%。
20本电磁定律
学习本课程中常要用到的基本电 磁定律有：全电流定律、磁路欧姆定律、 电磁力定律、电磁感应定律、 基尔霍夫电流定律和电压定律等。
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2. 磁路基尔霍夫第二定律
根据麦克斯韦方程（式（5））可得出： 在闭合的磁路中，各段磁压降的代数和等于 闭合磁路中磁动势(mmf)的代数和，即有
HLIN（8）
上式中，H——磁场强度，A/m； L——各段磁路的长度，m； N——线积分线路所包围的导体数； I——每根导体所流过的电流，A。
基尔霍夫第一定律
电路中任意节点的电流的代数和等于

电机及拖动基础
iax I m
转子绕组作“两并一串”联接， 并且通入直流后所建立的磁动 势和磁场的基波分布图
iby
1 2
Im
icz
1 2
Im
绕线转子异步电动机的转子绕组通入直流电流 后，就成为一个电磁铁。
不论旋转磁极与电磁铁在起始时的相对位置如 何，结果总是旋转磁极的N极和S极分别与电磁铁 的S极和N极相吸。旋转磁极以同步转速旋转，则 必然拉着电磁铁也以同步转速旋转。这时异步电 动机就作同步运行。
恒功率、变励磁、不 计凸极效应时同步电 动机的电动势相量图
（二）转速特性及起动步骤
无平均电磁 转矩的情况
(s)t0
Te(t)
m UE0
Xds
sins
t
0
m U2
2s
1 Xq
1 Xd
sin2s
t
0
T
平均电磁转矩 Teav 0 Te(t)dt 0
第二节 无换向器电动机——自控式同步电动机 一、分类
串并联式
涡轮式
永磁同步电动机的转子结构图
2、磁路与参数问题 永磁体为横向结构的永磁同步电动机磁路示意图
3、起动问题
永磁同步电动机起动特性
1——异步转矩 2——发电机制动转矩 3——磁阻转矩 4——合成转矩
三、步进电动机
三相反应式步进电动机示意图
位置一
位置二
位置三
三相反应式步进电动 机的典型结构示意图
有最大电 磁转矩
无电磁转矩
有最大电 磁转矩
三、特点
1、维护简便 2、调速范围宽 3、控制方便 4、电动机能够使用于条件较恶劣的场合 5、快速性好
第三节 其他同步电动机
一、磁阻同步电动机

电枢反应为交轴电枢反应。 电机合成磁场Bδx= B0x+Bax
正方向规定：磁力线进入转子 为负,出来为正.
n
n
n
m
⊕N ⊙ ⊙ S ⊕
所以,主磁极磁通密度在N极 下为负,在S极下为正. 可知:磁场波形发生了畸变.
(1)发电机:前极尖增磁,后极 尖去磁.
⊕⊙⊙⊙ ⊙⊙⊙ ⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊙
发电机
物几 理何 中中
三、直流电机的基本工作原理 1.直流发电机的基本工作原理
为了说明方便,作下列规定:
(1)N导体和S导体:在N极下的导体称为N导体;在S极
下的
导体称为S导体.
(2)符号 和符号 :导体中电势(电流)的方向进入
纸面时用 表示;导体中电势(电流)的方向由纸面出来
时用 表示.
S
a n
S b n
b
N
b2
b1
故电刷b1的极性恒为正;同理电刷b2的极性恒为负.
e
0
t
2.直流电动机的基本工作原理
S na
b N
a、b导体中电流方向如左所示 ，由左手定则可知S导体和N导 体受力均为逆时针方向,因而使 电枢逆时针方向旋转.
通过换向器的作用，使与 电源负极相接的电刷仅能 接通S导体，故S导体中的 电流方向恒为流出纸面， 而与电源正极相接电刷仅 能接通N导体，电流流入 纸面。故电机恒逆转。
a
N
b2
b1
基本原理: 由于导体切割了磁力线,因而在导体内将产生
感应电动势.根据右手定则,N导体中电势方向为 ;而S 导体中电势方向为 ;即二者方向相反.
N导体和S导体在交换(a和b位置),但是,b 1和b2极 性是恒定的,即b1恒为正,b2恒为负,故在电刷两端输出 脉动的直流电压.